陳 慶，張錦繡，曹喜濱

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 衛(wèi)星技術(shù)研究所，哈爾濱 150001)

集群航天器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

陳 慶，張錦繡，曹喜濱

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 衛(wèi)星技術(shù)研究所，哈爾濱 150001)

為研究新興集群航天器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀及其亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，對目前該領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行了分析與總結(jié).集群航天器是一種通過無線鏈路進(jìn)行信息交互的，多航天器間協(xié)同工作的新型航天器構(gòu)架，服務(wù)于未來日益復(fù)雜多樣的空間探索任務(wù).首先，結(jié)合衛(wèi)星集群的定義，明晰了集群航天器網(wǎng)絡(luò)的概念.然后，分析目前分布式協(xié)同工作的空間探索任務(wù)，闡述了集群航天器的發(fā)展歷程，并從圖論和軌道動(dòng)力學(xué)角度描述了集群航天器網(wǎng)絡(luò)的特征.最后，總結(jié)了集群航天器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)、路由技術(shù)、空間互聯(lián)協(xié)議技術(shù)、協(xié)議跨層資源調(diào)配技術(shù)等，并結(jié)合其他領(lǐng)域研究熱點(diǎn)提出了相應(yīng)的發(fā)展建議.研究表明,集群航天器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)研究尚處于初始階段，仍有許多技術(shù)難題亟需解決，同時(shí)，成熟的互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)等可作為關(guān)鍵技術(shù)難題突破的參考.

集群航天器網(wǎng)絡(luò)；拓?fù)淇刂疲粩?shù)據(jù)路由；空間互聯(lián)協(xié)議；跨層資源調(diào)配

隨著航天事業(yè)飛速發(fā)展，航天器所承擔(dān)的各類空間科學(xué)探索任務(wù)愈發(fā)復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)依賴單顆大衛(wèi)星的空間任務(wù)解決方案成本高昂，靈活性差，難以滿足當(dāng)前日益增長且復(fù)雜多變的航天任務(wù)需求.傳統(tǒng)的大衛(wèi)星研發(fā)和維護(hù)難度大，研制周期長，實(shí)際應(yīng)用中存在較長的真空期；其次，單顆大衛(wèi)星需要實(shí)現(xiàn)的功能復(fù)雜繁多，一定程度降低了其可靠性和安全性[1].

同時(shí)，伴隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，航天器的集成化程度不斷提高，單顆航天器的質(zhì)量、體積和成本隨之下降，數(shù)據(jù)處理能力、自主性等性能也相應(yīng)提升[2].近幾年，微小衛(wèi)星技術(shù)在航天領(lǐng)域的工程應(yīng)用愈發(fā)被重視.2014年，全球共發(fā)射近300顆衛(wèi)星，近1/2衛(wèi)星的質(zhì)量小于10 kg[3].由于微小衛(wèi)星具有研發(fā)應(yīng)用成本低，平臺(tái)通用性強(qiáng)等優(yōu)勢，大批企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、學(xué)校等開始投資研發(fā)基于微小衛(wèi)星技術(shù)的各類產(chǎn)品，如谷歌的互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星計(jì)劃[4].

考慮到目前單顆大衛(wèi)星面臨的問題以及多顆微小衛(wèi)星組網(wǎng)協(xié)同工作的優(yōu)勢，已有許多基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的分布式航天器項(xiàng)目被提出[5-8].集群航天器(spacecraft cluster)[9]是近幾年繼星座、編隊(duì)之后興起的一種分布式航天器系統(tǒng)，結(jié)合了航天器編隊(duì)飛行的優(yōu)點(diǎn)，又融入了模塊化航天器(fractionated spacecraft)[10]的理念，使其設(shè)計(jì)更為靈活多變、響應(yīng)更快速、生存能力更強(qiáng)、功能可重構(gòu)，為未來自然災(zāi)害災(zāi)情快速評估等突發(fā)的對地觀測任務(wù)以及大規(guī)模小行星探測等科學(xué)研究任務(wù)的順利展開帶來了巨大優(yōu)勢.

1 集群航天器網(wǎng)絡(luò)概念

目前，對于由多顆微小衛(wèi)星協(xié)同工作的系統(tǒng)，學(xué)術(shù)界普遍采用衛(wèi)星集群(satellite cluster)的概念，但由于側(cè)重點(diǎn)不同，對其定義存在差異.本文為了方便討論，基于航天器集群飛行的概念[11]，給出如下定義：集群航天器是一類由多個(gè)近距離相伴飛行的航天器構(gòu)成的分布式系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1 集群航天器示意

不同于衛(wèi)星集群，集群航天器概念更加寬泛，該分布式系統(tǒng)不僅含有各類衛(wèi)星，還可以包括空間站、傳感器網(wǎng)絡(luò)等其他空間系統(tǒng)，可理解為各類異構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)建的空間分布式航天器系統(tǒng).由集群航天器內(nèi)各個(gè)航天器基于無線通信鏈路構(gòu)建的信息交互網(wǎng)絡(luò)，即為集群航天器網(wǎng)絡(luò)(spacecraft cluster networks).該分布式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部資源采用全局管理方式，各個(gè)航天器地位平等，可以任意調(diào)用其他航天器資源以完成空間任務(wù).另外，類似于移動(dòng)無線自組織網(wǎng)絡(luò)(mobile ad hoc networks, MANETs)，集群航天器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S時(shí)間改變，且變化規(guī)律具有周期性和可預(yù)測的特點(diǎn).

近幾年，空間信息網(wǎng)絡(luò)[12-13]作為一個(gè)以多種空間平臺(tái)(如同步衛(wèi)星或中、低軌道衛(wèi)星、平流層氣球等)為載體，實(shí)時(shí)獲取、傳輸和處理空間信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，得到了廣泛的討論與研究.空間信息網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)理念也是一個(gè)信息共享的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而集群航天器網(wǎng)絡(luò)則是構(gòu)成該信息網(wǎng)絡(luò)的一類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，承擔(dān)著空間信息采集與傳輸?shù)娜蝿?wù)，如圖2所示.

同時(shí)，空間信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究發(fā)展面臨著諸多關(guān)鍵技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)存在物理環(huán)路，傳輸時(shí)延大、誤碼率高，空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不完善，空間網(wǎng)絡(luò)帶寬受限，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通問題，安全性問題，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展問題等.而航天器集群網(wǎng)絡(luò)作為空間信息網(wǎng)絡(luò)的主要構(gòu)成成員之一，也面臨著類似的問題.

圖2 空間信息網(wǎng)絡(luò)組成

2 集群航天器發(fā)展概況

為有效提高航天器的靈活性和機(jī)動(dòng)性，同時(shí)降低空間探索任務(wù)的研發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)，美國麻省理工學(xué)院的Mathieu等[14-15]于2005年提出了模塊化航天器概念(assessing the fractionated spacecraft concept)，打破了常規(guī)整體式航天器構(gòu)建理念，將傳統(tǒng)航天器依照載荷功能不同劃分為多個(gè)模塊航天器，并基于無線通信、無線能量傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)整星的功能.2007年，美國國防高級研究項(xiàng)目局(DARPA)率先基于模塊化航天器這一理念提出了F6項(xiàng)目[16](future, fast, flexible, fractionated, free-flying spacecraft)，并計(jì)劃于2015～2016年期間進(jìn)行系統(tǒng)在軌演示驗(yàn)證.2013年，由于無線能量傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)遭遇技術(shù)瓶頸以及F6項(xiàng)目龐大的經(jīng)費(fèi)開支，DARPA終止了該項(xiàng)目的繼續(xù)研發(fā)，并將其取得各項(xiàng)成果作為技術(shù)儲(chǔ)備運(yùn)用到后續(xù)的各個(gè)項(xiàng)目中，如“鳳凰”(phoenix)計(jì)劃[17]等.

F6計(jì)劃的取消并未阻礙其多航天器分布式協(xié)同工作的核心理念的廣泛傳播.當(dāng)前，全球范圍內(nèi)各大研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)認(rèn)識到這一理念的獨(dú)特優(yōu)勢，針對集群航天器聯(lián)網(wǎng)工作問題，結(jié)合不同的應(yīng)用需求，提出了眾多研究計(jì)劃.

圖3 F6計(jì)劃概念

2.1 EDSN

NASA提出的EDSN項(xiàng)目[18](edison demonstration of smallsat networks)，通過一箭多星技術(shù)將8顆CubeSat衛(wèi)星送入500 km高度的軌道，并基于星間組網(wǎng)通信技術(shù)構(gòu)成松散的集群航天器網(wǎng)絡(luò)，以驗(yàn)證星間通信能力以及組網(wǎng)技術(shù)，如圖4所示.每顆衛(wèi)星重約2 kg，為1.5 U的CubeSat納衛(wèi)星，均搭載了一個(gè)監(jiān)測空間環(huán)境的輻射變化情況的輻射探測器.EDSN作為集群航天器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的驗(yàn)證項(xiàng)目，為未來構(gòu)建能夠容納上百顆衛(wèi)星的分布式集群網(wǎng)絡(luò)奠定了技術(shù)基礎(chǔ).

圖4 EDSN小衛(wèi)星項(xiàng)目

2.2 ANTS

ANTS計(jì)劃[19](the autonomic nano technology swarm)是由NASA提出的一項(xiàng)用于發(fā)現(xiàn)和開發(fā)空間資源的航天發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃.該計(jì)劃依據(jù)技術(shù)發(fā)展的不同階段，制定了一系列空間探測任務(wù)，如ALI(Autonomous Lunar Investigator)、PAM(Prospecting Asteroid Mission)、SARA(Saturn Autonomous Ring Array)等.其中，PAM計(jì)劃預(yù)計(jì)于2020～2025年構(gòu)建由1 000顆皮衛(wèi)星組成的集群航天器系統(tǒng)，用于對小行星帶進(jìn)行科研觀測.類似于社會(huì)性生物集群智能行為，每顆皮星將搭載特定的檢測設(shè)備以及智能化的星載計(jì)算機(jī)，使得整個(gè)分布式系統(tǒng)針對空間任務(wù)的不同工況具有自主性，能夠智能調(diào)配網(wǎng)絡(luò)中資源以保證任務(wù)的順利執(zhí)行.

圖5 ANTS小行星探測任務(wù)

2.3 L5SWS

2014年7月，美國Keck研究所為監(jiān)測地球電磁場和太陽風(fēng)暴，并對其進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，提出L5SWS計(jì)劃[20-21](space weather prediction with satellite at L5).該計(jì)劃將發(fā)射5顆衛(wèi)星至L5拉格朗日點(diǎn)，其中1顆衛(wèi)星作為母星和地面進(jìn)行S/Ka頻段通信，其余4顆搭載不同載荷的子星分布在母星周圍，構(gòu)成一個(gè)星型的通信拓?fù)浼壕W(wǎng)絡(luò).區(qū)別于傳統(tǒng)大型化學(xué)推進(jìn)的太空天氣預(yù)報(bào)衛(wèi)星，這個(gè)項(xiàng)目將搭建的集群網(wǎng)絡(luò)不僅能夠有效地節(jié)省成本，而且面向的空間任務(wù)更加靈活，可靠性更強(qiáng).

3 集群航天器網(wǎng)絡(luò)表征

集群航天器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各航天器周期性地相互繞飛，通過基于無線通信鏈路的信息共享構(gòu)成一個(gè)協(xié)同工作的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).參考地面成熟的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如MANETs等，集群航天器網(wǎng)絡(luò)描述可以采用圖論相關(guān)理論.

集群航天器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，若將單顆航天器看作一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)V，兩顆航天器之間的無線通信鏈路(所有航天器地位平等)看作無向邊E，那么整個(gè)集群網(wǎng)絡(luò)G可表示為Gt=(Vt,Et)，且其鄰接矩陣At=(aij)t滿足如下條件：

集群航天器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各航天器在一定范圍內(nèi)相互繞飛，如圖6所示，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)不斷改變，即鄰接矩陣At=(aij)t隨時(shí)間變化.同時(shí)，由集群航天器的定義可知，該航天器系統(tǒng)必須滿足在一定時(shí)間內(nèi)近距離相伴飛行條件.文獻(xiàn)[11]中指出了航天器集群飛行的基本條件是有界性，同時(shí)依據(jù)C-W方程得到航天器的初始狀態(tài)應(yīng)滿足的約束：

一個(gè)集群內(nèi)航天器一般處于同一軌道高度，且為了滿足不同空間任務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)包含多種載荷類型的航天器，且分布在相對距離從幾百米到幾十千米的范圍內(nèi).集群航天器網(wǎng)絡(luò)作為空間信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成成員，其基于網(wǎng)絡(luò)的分布式協(xié)同工作模式，以及周期性相互運(yùn)動(dòng)的特性，為該集群網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提出了諸多挑戰(zhàn)，涉及航天器硬件和軟件領(lǐng)域，如小型化的載荷研制、智能化的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)等.

圖6 集群航天器拓?fù)鋾r(shí)變

4 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究主要是集中在以星座組網(wǎng)以及編隊(duì)飛行衛(wèi)星組網(wǎng)兩個(gè)方面.新興的集群航天器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目要遠(yuǎn)大于編隊(duì)和星座系統(tǒng)，并可依據(jù)空間任務(wù)需求進(jìn)行擴(kuò)展.同時(shí)，由于星間相對運(yùn)動(dòng)的影響，集群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓潞途S護(hù)更加頻繁.另外，目前出于空間探索項(xiàng)目成本考慮，集群航天器系統(tǒng)一般采用CubeSat這一類的超小型衛(wèi)星，攜帶的載荷有限，生命周期一般較短，那么為了盡可能獲得最長的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)間，該集群系統(tǒng)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎目刂埔筝^高.

雖然目前集群航天器組網(wǎng)領(lǐng)域的研究還在初步階段，但是地面相關(guān)組網(wǎng)技術(shù)的研究已經(jīng)十分成熟，在欠缺資源條件下自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及相關(guān)理論等方面也卓有成效.參考地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)進(jìn)展[22-23]，并結(jié)合空間分布式網(wǎng)絡(luò)自身的特性，為解決集群航天器穩(wěn)定組網(wǎng)難題，依據(jù)OSI協(xié)議棧自下而上的分層模型，將其面臨的關(guān)鍵技術(shù)劃分為：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)、數(shù)據(jù)路由技術(shù)、空間互聯(lián)協(xié)議、跨層資源調(diào)配技術(shù)等，即設(shè)計(jì)一套面向分布式空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的智能化的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議.

4.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是研究網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，描述了網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)以及相互連接方式，對其整體特性的分析能夠全面地了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能與狀態(tài)，為網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化提供參考.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频哪康氖菫榱嗣嫦虿煌木W(wǎng)絡(luò)任務(wù)需求，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)連接方式，維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定.

拓?fù)淇刂扑惴ㄊ蔷W(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频膶?shí)現(xiàn)方法，種類較多，且分類依據(jù)不統(tǒng)一，包括算法的假設(shè)條件、節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率是否相同、拓?fù)錁?gòu)建參考信息來源、生成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、所參考的理論模型等.考慮到本文研究對象集群航天器網(wǎng)絡(luò)中容錯(cuò)能力的重要性，現(xiàn)將拓?fù)淇刂扑惴ㄒ罁?jù)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)特性進(jìn)行分類，見表1.

表1 拓?fù)淇刂扑惴ǚ诸?/p>

基于節(jié)點(diǎn)度的拓?fù)淇刂扑惴ú痪邆淙蒎e(cuò)能力，且不一定保證網(wǎng)絡(luò)連通，代表性算法包括：LMA/LMN[24]、MobileGrid[25]和LINT/LILT[26]等.單連通拓?fù)淇刂扑惴ㄒ曰卩徑鼒D理論的算法為主，如CBTC[27]、RNG[28]、GG[29]、YG[30]等，還包括各類層次型拓?fù)洌鏛EACH[31]、HEED[32]等.為了適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，Li等[33]基于MG模型提出了強(qiáng)連通拓?fù)渌惴?，包括RNG(MG)、ERNG(MG)等.

具有拓?fù)淙蒎e(cuò)能力的控制算法可大致分為k連通和拓?fù)渥灾骰謴?fù)兩種.FGSS/FLSS[34]、STPS等是典型的k連通拓?fù)淇刂扑惴?，確保網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的可通信鏈路數(shù)目大于某一數(shù)值.拓?fù)渥灾骰謴?fù)算法主要通過引入故障檢測算法實(shí)現(xiàn)，如Staddon等[35]通過分析整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋽?shù)據(jù)，定位失效節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)拓?fù)渥灾骰謴?fù).

現(xiàn)有服務(wù)于無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)大多應(yīng)用于MANETs等，其網(wǎng)絡(luò)模型和集群航天器網(wǎng)絡(luò)模型存在區(qū)別.集群航天器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包含各類控制參數(shù)，如編隊(duì)控制指令等，網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、丟包率等指標(biāo)的要求更為嚴(yán)格.

同時(shí)，本文為了明確后續(xù)的研究工作，對集群航天器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂平o出如下定義：在盡量保證網(wǎng)絡(luò)連通性的前提下，結(jié)合集群航天器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，針對不同的應(yīng)用場景，通過節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的調(diào)節(jié)和鄰居節(jié)點(diǎn)的選擇，形成優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以保證空間任務(wù)穩(wěn)定高效地完成.

4.2 數(shù)據(jù)路由技術(shù)

數(shù)據(jù)路由協(xié)議是MANETs的關(guān)鍵技術(shù)之一，依據(jù)拓?fù)淇刂菩畔⒋_定穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸路徑，從而為協(xié)議上層各類應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供必要的數(shù)據(jù)通信支持.MANETs路由協(xié)議依據(jù)業(yè)務(wù)對象的數(shù)目可分為單播路由和組播路由兩種，詳細(xì)分類見表2.

主動(dòng)式單播路由經(jīng)路由表驅(qū)動(dòng)，周期性地更新信息，如基于距離的WRP[36]算法，但該種路由方式開銷較大，占用較多資源.目前，已有許多方法被提出用以改善這種情況，如功率感知路由度量.按需響應(yīng)式單播路由僅僅維護(hù)路由表中部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的信息，如基于無環(huán)路徑路由機(jī)制的ADOV[37]算法.組播路由是一種面向多個(gè)業(yè)務(wù)對象的路由方式，要么通過共享組播路由樹，要么通過泛洪實(shí)現(xiàn)路由構(gòu)建與維護(hù).

表2 MANETs路由算法分類

受限于航天器上資源不足，集群航天器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)首要解決的一個(gè)關(guān)鍵性問題降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯?，提高系統(tǒng)資源的利用率.能量優(yōu)化路由作為一個(gè)能夠降低無線網(wǎng)絡(luò)通信能量消耗的重要手段已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題.近年來，很多針對地面網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化的路由協(xié)議不斷出現(xiàn)，成為集群航天器組網(wǎng)的重要技術(shù)參考，基于概率分布實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的能量感知路由[38]等.

目前，空間網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的研究方向除了提高資源利用率，降低系統(tǒng)開銷，還包括面向深空網(wǎng)絡(luò)的容延遲路由技術(shù)，如DTN路由技術(shù)[39].該技術(shù)主要應(yīng)用于高延遲的深空通信網(wǎng)絡(luò)，提供了一種具備“儲(chǔ)存、攜帶、轉(zhuǎn)發(fā)”功能的路由能力.

4.3 空間互聯(lián)協(xié)議技術(shù)

空間通信協(xié)議是集群航天器網(wǎng)絡(luò)通信的核心技術(shù)，直接影響到組網(wǎng)通信服務(wù)質(zhì)量，以及網(wǎng)絡(luò)的兼容性、可擴(kuò)展性等.目前，空間通信協(xié)議的研究方向主要包括CCSDS協(xié)議體系[40]、TCP/IP協(xié)議體系[41]以及DTN(delay/disruption tolerant networks)協(xié)議體系[39].

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行修改和擴(kuò)展，提出了適用于空間環(huán)境的通信協(xié)議體系，包括安全協(xié)議SCPS-SP、傳輸協(xié)議SCPS-TP、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議SCPS-NP以及文件傳輸協(xié)議SCPS-FP等[42].在協(xié)議物理層，CCSDS在Prox-1協(xié)議中定義了鄰近空間鏈路的特性.在數(shù)據(jù)鏈路層，引入虛擬信道思想，對多個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，從而給定了3個(gè)編碼規(guī)范：TM同步和信道編碼、TC同步和信道編碼以及Prox-1空間鏈路協(xié)議的編碼.在網(wǎng)絡(luò)層，類似于TCP/IP協(xié)議中的UDP和TCP，同樣規(guī)定了有無“握手”兩種情況下的路由協(xié)議：SPP和SCPS-NP.在傳輸層和應(yīng)用層，CCSDS同樣提出了針對空間任務(wù)特性的相關(guān)技術(shù)策略，如傳輸協(xié)議SCPS-TP等.

TCP/IP協(xié)議體系是指在軌衛(wèi)星直接采用商用的IP設(shè)備，并進(jìn)行簡單的功能擴(kuò)展，如路由器添加支持信道糾錯(cuò)/譯碼功能等.但該體系目前運(yùn)用到航天器組網(wǎng)通信還存在一些問題，如針對高延時(shí)的空間網(wǎng)絡(luò)，建立在小傳輸延時(shí)的TCP/IP協(xié)議不太適用等.

DTN協(xié)議體系是一種面向高延時(shí)、高誤碼率、帶寬不對稱等空間特性的信息傳輸?shù)膮f(xié)議框架，在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)5層協(xié)議棧的應(yīng)用層和傳輸層之間引入“包裹層”，數(shù)據(jù)以“包裹”的形式進(jìn)行異步通信[43].DTN協(xié)議體系的思想能夠有效地優(yōu)化不同網(wǎng)絡(luò)間底層協(xié)議，解決空間組網(wǎng)通信面臨的一些問題.但是，該體系尚只有一個(gè)框架，許多關(guān)鍵技術(shù)仍在開發(fā)中.目前，學(xué)術(shù)界針對該體系的研究主要包括：DS-TP(deep-space transport protocol)協(xié)議、BP(bundle protocol)協(xié)議、CFDP(CCSDS file delivery protocol)協(xié)議和LTP (licklider transmission protocol)協(xié)議.

4.4 協(xié)議跨層資源調(diào)配技術(shù)

傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層等層間數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，互不影響.但無線網(wǎng)絡(luò)信號以廣播的形式傳輸，由于傳輸介質(zhì)不可靠，帶寬緊缺等，無線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)干擾、信號衰落等情況遠(yuǎn)比有線網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，致使無線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量QoS難以保障，特別是在工況更為復(fù)雜的空間環(huán)境中.

跨層資源調(diào)配技術(shù)通過各協(xié)議層資源共享，自適應(yīng)調(diào)節(jié)各協(xié)議部分的資源分配，實(shí)現(xiàn)通信性能的提高.跨層設(shè)計(jì)方法[44]的核心思想就是將通信協(xié)議作為一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，模糊層與層之間的界限，并依據(jù)應(yīng)用需求和當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)聯(lián)合優(yōu)化.結(jié)合排隊(duì)論、信息論等相關(guān)理論，普林斯頓大學(xué)的Chiang等[45]提出了“Layering as optimization decomposition”的跨層設(shè)計(jì)框架.Ruzzelli等[46]通過耦合MAC層和路由數(shù)據(jù)提出了MERLIN協(xié)議，在降低網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延的同時(shí)延長網(wǎng)絡(luò)壽命.GeRaF協(xié)議[47]綜合了基于地理位置額MAC和路由算法，通過將轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域劃分為若干個(gè)子區(qū)域，依據(jù)地理位置優(yōu)先性決定每個(gè)子區(qū)域的優(yōu)先權(quán)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳遞.類似于GeRaF協(xié)議，MACRO協(xié)議[48]利用每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率控制的特征提高能量的利用率.

集群航天器網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)QoS的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)商用通信網(wǎng)絡(luò).源于有線網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)分層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議靈活性差，難以滿足未來空間任務(wù)的發(fā)展需要，而利用協(xié)議跨層資源調(diào)配技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)性、靈活性能有效滿足未來復(fù)雜多變空間任務(wù)需求.

5 集群航天器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展建議

結(jié)合當(dāng)前航天技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及未來航天產(chǎn)業(yè)的潛在需求，集群航天器網(wǎng)絡(luò)的主要研究任務(wù)可分為以下幾點(diǎn)：

1)針對以CubeSat等超小型航天器為主的大規(guī)模集群航天器組網(wǎng)信息傳輸需求，探索在欠缺資源條件下建立面向集群任務(wù)需求的空間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾韮?yōu)化的新方法和新機(jī)理.

2)結(jié)合地面網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的最新發(fā)展，以及集群航天器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇深A(yù)知以及鏈路的連通時(shí)變特性，提出一種面向集群航天器群內(nèi)和群間的網(wǎng)絡(luò)路由算法.

3)分析現(xiàn)有空間互聯(lián)協(xié)議特性，提出一種適合中國空間探索任務(wù)需要以及空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求，并能兼容國際通用空間協(xié)議CCSDS的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議體系.

4)基于當(dāng)前的研究熱門機(jī)器學(xué)習(xí)理論，并結(jié)合地面跨層設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展和空間網(wǎng)絡(luò)通信需求，構(gòu)建具備自我學(xué)習(xí)能力的高可靠性協(xié)議跨層資源調(diào)度技術(shù).

6 結(jié) 論

1)集群航天器是一類由多個(gè)近距離相伴飛行的航天器構(gòu)成的分布式系統(tǒng).由集群航天器內(nèi)各個(gè)航天器成員基于無線通信鏈路構(gòu)建的信息交互網(wǎng)絡(luò)即為集群航天器網(wǎng)絡(luò).

2)眾多研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)等依據(jù)集群航天器理念研究并提出了各種未來微小型航天器分布式協(xié)同工作方案，如EDSN[18]、ANTS[19]等.但目前這類空間探索任務(wù)處于集群航天器核心技術(shù)初始研究與驗(yàn)證階段，為實(shí)現(xiàn)集群航天器的大規(guī)模應(yīng)用仍有大量問題亟需解決.

3)面向集群航天器的智能分布式協(xié)同工作通信協(xié)議的研究包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)、數(shù)據(jù)路由技術(shù)、空間互聯(lián)協(xié)議、跨層資源調(diào)配技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù).這些技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等其他領(lǐng)域已被廣泛且深入研究，可作為集群航天器關(guān)鍵技術(shù)難題研究與突破的參考.

4)隨著航天器微小型化、批量化等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，航天器成本不斷降低，空間資源的商用項(xiàng)目和科學(xué)研究項(xiàng)目將得到更加廣泛的重視.可以預(yù)見，未來空間任務(wù)的一個(gè)重要研究方向是突破集群航天器網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集群航天器的大規(guī)模應(yīng)用.

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(編輯 張 紅)

Development status and key technology of spacecraft cluster network

CHEN Qing, ZHANG Jinxiu, CAO Xibin

(Research Center of Satellite Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

To study the development status and technical problems of the emerging spacecraft cluster network, this paper analyzes the latest literatures in this field. Spacecraft cluster is a kind of novel multiple spacecraft collaborative work framework, which performs information interaction via wireless links and serves to the increasingly complex and diverse space exploration missions in the future. First, this paper makes the concept of spacecraft cluster network clear by involving the definition of satellite cluster. Then, it analyzes the current status and development course of the distributed space exploration missions as well as describes the spacecraft cluster network from the perspective of theory and orbital dynamics. Finally, it summarizes the key technical problems when studying spacecraft cluster network, including topology control strategies, data routing algorithm, space inter-communication protocol, cross-layer resource allocation algorithms. It also puts forward some corresponding suggestions of development. The result shows that technologies in spacecraft cluster network are still at the initial stage, and several key technical problems need to be solved. Some mature networks, e.g., Internet and Mobile Sensor Network, can serve as technical reference models for the breakthrough of these problems.

spacecraft cluster network; topology control; data routing; space inter-communication protocol; cross-layer resource allocation

2015-10-08

國家自然科學(xué)基金重大計(jì)劃項(xiàng)目(91438202)；國家自然科學(xué)基金(61273096)；黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD201414)

陳 慶(1989—)，男，博士研究生； 張錦繡(1978—)，男，教授，博士生導(dǎo)師； 曹喜濱(1963—)，男，“長江學(xué)者”特聘教授，博士生導(dǎo)師

曹喜濱，xbcao@hit.edu.cn

10.11918/j.issn.0367-6234.201510012

V11

A

0367-6234(2017)04-0001-07